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研究中開發(fā)的光子拓撲絕緣體效果圖。資料來源：倫斯勒理工學院

倫斯勒理工學院（Rensselaer Polytechnic Institute）的研究人員制造出了一種比頭發(fā)絲還細的裝置，它將幫助物理學家研究物質(zhì)和光的基本性質(zhì)。他們的研究成果發(fā)表在《自然-納米技術》（Nature Nanotechnology）雜志上，還有助于開發(fā)更高效的激光器，這種激光器被廣泛應用于醫(yī)療和制造等領域。

該設備由一種名為光子拓撲絕緣體的特殊材料制成。光子拓撲絕緣體可以引導光子（構成光的波狀粒子）進入材料內(nèi)部專門設計的界面，同時還能防止這些粒子通過材料本身發(fā)生散射。

由于這一特性，拓撲絕緣體可以使許多光子相干地像一個光子一樣行動。這些設備還可用作拓撲"量子模擬器"，即研究人員可以研究量子現(xiàn)象（在極小尺度上支配物質(zhì)的物理定律）的微型實驗室。

"我們創(chuàng)造的光子拓撲絕緣體是獨一無二的。它能在室溫下工作。這是一個重大進步。以前，人們只能使用昂貴的大型設備在真空中對物質(zhì)進行超冷卻，才能研究這種機制。許多研究實驗室都沒有這種設備，因此我們的設備可以讓更多人在實驗室里從事這種基礎物理研究。"RPI 材料科學與工程系助理教授、《自然- 納米技術》研究報告的資深作者 Wei Bao 說。

Bao補充說："這也是在開發(fā)運行所需能量更少的激光器方面邁出的充滿希望的一步，因為我們的室溫設備閾值（使其工作所需的能量）比以前開發(fā)的低溫設備低七倍。"

RPI 的研究人員利用半導體行業(yè)用于制造微芯片的相同技術制造出了他們的新型設備，這種技術包括將不同種類的材料逐個原子、逐個分子地分層，以制造出具有特定性能的理想結構。

為了制造這種裝置，研究人員在金屬鹵化物過氧化物（一種由銫、鉛和氯組成的晶體）上生長出超薄板，并在上面蝕刻出帶有圖案的聚合物。他們將這些晶體板和聚合物夾在各種氧化物材料的薄片之間，最終形成了一個厚約 2 微米、長寬均為 100 微米的物體（人類頭發(fā)的平均寬度為 100 微米）。

當研究人員用激光照射該裝置時，在材料設計的界面上出現(xiàn)了一個發(fā)光的三角形圖案。這種圖案由裝置的設計決定，是激光拓撲特性的結果。

"能夠在室溫下研究量子現(xiàn)象是一個令人興奮的前景。鮑教授的創(chuàng)新工作表明，材料工程學可以幫助我們回答一些科學上的重大問題，"RPI 工程學院院長 Shekhar Garde 說。